《光的反射現象》教學實驗改進

〔摘" " 要〕" 教科版五年級上冊《科學》教材中，《光的反射現象》一課，由于課本設計的實驗沒有給出核心概念、科學探究過程不完整、理論支撐不充足等原因，一般情況下學生無法清晰地描述光的反射規律，無法準確地認識到入射光線與反射光線的角度大小關系。筆者通過設計新的自制教具，使實驗操作簡單化、實驗現象放大化、實驗數據精準化，有效支撐了學生完整認識光的反射規律，并拓展了實驗的內容與方式，能更好地了解光的反射規律在工作生活中的應用。

〔關鍵詞〕" 小學科學；實驗教學；自制教具；反射

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2024）" 08" " 064-066

本文針對教科版五年級上冊《科學》教材第一單元第6課時《光的反射現象》。本課要求學生認識到光碰到鏡面會發生反射現象，反射的光線也是沿直線傳播的，并且能通過實驗發現光的反射規律。原教材是通過兩個簡單的探究活動來認識光的反射現象，其一是用鏡子反射手電筒的光，找到反射出去的光斑；其二是通過調整鏡子的位置，使反射光到達某一指定地點。

一、教材實驗的不足

（一）核心概念不清晰

教材之中未對光的反射原理做出系統的表述，在光的反射原理中應該包含法線、入射角和反射角等核心概念，但教材對這些核心概念只字未提。這導致了學生即使可以預測反射光斑的位置變化，也無法形成清晰、準確的語言表述。

（二）探究過程不完整

學生通過教材學習能提出一些想法，但在完整的科學探究過程中，只能算作完成了第一個步驟，即提出猜想，卻未經過系統的實驗驗證。尤其是未能確認實驗目的、實驗條件和實驗結果應該是什么；沒有經歷實驗條件（入射角）與實驗結果（反射角）的連續變化；沒有系統地記錄數據作為證據，這種情況下難以形成科學的實驗結論。

（三）理論支撐不充足

在上述第一點與第二點缺陷仍未解決的情況下，教材的“研討”環節中，就需要學生畫出光的反射線路圖并總結反射規律，這樣的安排并不符合科學探究的邏輯。何況在總結規律的環節中沒有給出明確的指示，留下一個完全開放的空間，其結果是學生感覺無從下手，不知道應該關注哪些要素。

二、改進思路

喻伯軍在《小學科學教學關鍵問題指導》一書中提出，可以通過設計自制教學用具來促進教學效果提高，而自制教具應該把握好三大原則：簡化實驗操作、放大實驗現象和提高數據精度。劉濟昌也提出設計自制教具要同時考慮到教育性、科學性、啟發性、趣味性、實用性、直觀性、安全性等要素。因此筆者設計的實驗改進思路為：制作一套全新的教具，裝置上配備有固定的入射光源，同時具備法線用于幫助區分入射角與反射角，學生只需要完成轉動鏡片這一簡單動作，追蹤反射光斑，光斑所在位置即可讀取對應的角度。

三、實驗器材

量角器2個，鏡子4面，小轉盤4個，竹簽或指針1根，激光筆1支，瓦楞紙或硬卡紙若干張，熱熔膠槍及膠棒。主要步驟如下。

將大量角器上的突起物切除、磨平，保證鏡子旋轉時以及激光傳播路徑中不要受到阻礙；

裁剪一段瓦楞紙，高度約10cm，長度剛好可以包圍大量角器的圓弧，將瓦楞紙直立粘貼在量角器的外邊緣上；

將4面鏡子全部粘貼在小轉臺上，注意保證鏡子落在圓形的直徑上；

在其中一面鏡子前垂直粘貼一根長指針，這根指針代表法線；

將已經和轉臺黏合為一體的4面鏡子中的2面（包含第4步的那一面）分別粘貼在2個大量角器的圓心位置，注意讓2個圓心相互重合，另外2面鏡子保持自由移動；

將激光筆固定于大量角器的邊緣，使激光能沿著0°方向射入，可以適當將激光筆的位置墊高，盡量使激光射到鏡子的中央，以確保實驗結果準確以及便于觀測；

在瓦楞紙上標出刻度，對應量角器上每個整十數畫出一條豎線，以方便在實驗過程中讀取讀數；測試實驗效果。

四、實驗改進

本實驗器材可以用于完成以下3項實驗內容，其中第（一）項與第（二）項為課本內要求的實驗，第（三）項為筆者運用光的反射原理新增的拓展實驗。

（一）探究光的反射原理

使用實驗器材的右半側（即一個量角器、一面鏡子、一根法線和一支激光筆）探究光的反射規律，發現反射角和入射角的關系。實驗方法如下。

先旋轉鏡片，使指針指向一定的角度，記錄此時的讀數為入射角的大小；打開激光筆，在紙圍邊上找到被反射的光點，并讀取讀數；在表單上記錄讀數，并計算反射角應該為第二次讀數減去第一次讀數之差；改變鏡片的角度再重復數次，記錄實驗結果，并歸納結論。

（二）模擬潛望鏡

使用兩個量角器、兩面鏡子和一支激光筆探究潛望鏡如何使用光的反射規律，解釋潛望鏡中的兩面鏡子為何要呈45°角相對擺放。裝置擺放及原理如圖1。實驗方法如下。

將左右兩組儀器按照左右對稱的位置擺放，分別調整兩面鏡子的角度，使它們各自呈45°傾斜，且鏡面相對；打開激光筆，并在激光筆的另一側向右平移數十厘米處放一張白紙，可觀察到白紙上出現被反射而發生了平移的光點。

關閉激光筆，在激光筆的位置前擺放一個物體，眼睛從另一片鏡子觀察，可以看到相應的圖像；如果鏡子的角度發生任何偏轉，都不能看到對應的圖像。

（三）鏡子迷宮

使用兩個量角器、四面鏡子和一支激光筆可以制造一個“鏡子迷宮”。即把四面鏡子分別排列在兩側，兩兩之間形成一個直角，四面鏡子的鏡面相對，此時光線經過4次反射之后，可以繞過放在右側兩面鏡子之間的物體，依然按照原來的路線傳播，形成一種透視的效果。這是在熟識光的反射規律的基礎上拓展而生的一種高級應用原理（見圖2）。

本實驗的操作方法是，取四面鏡子，按照圖3指示的位置擺放；注意左邊的兩面鏡子組成一個直角，右邊的兩面鏡子組成一個直角，并且鏡面彼此相對，每面鏡子各自與水平方向呈45°；激光筆從右邊的任意一側射出激光，在另一側放一張白紙，可以看到在沿著激光筆直線的延長線上出現光點；在激光筆的位置放一個物品，則在另一側可以清晰看到該物品的圖像，而被放置于右邊兩面鏡子之間的物體將被隱藏；如果鏡子的角度發生任何偏轉，都無法看到該現象。

射出的光斑

五、實驗優點

（一）能夠簡明、清晰地辨明入射角和反射角

在本實驗裝置中，筆者設計將光源固定于量角器的0°位置，鏡面的旋轉中心固定于量角器的原點（圓心）位置，使用一根長指針固定在鏡子前垂直于鏡面充當法線。這樣設計的好處是指針指向的讀數α就是入射角的角度大小，反射的光斑對應的讀數δ為入射角+反射角的角度大小，則反射角β=δ-α。

（二）在一套裝置中集成數個相關實驗

本裝置可以用于3項不同的實驗。第一項為探究光的反射規律，本實驗為課本要求的基本實驗，也是后兩項實驗的基礎，對應課標的學習內容為“6.2.2"光在空氣中沿直線傳播；行進中的光遇到物體時會發生反射，會改變光的傳播方向，會形成陰影”。第二項實驗為展示光的反射原理在潛望鏡中的應用，可以用來模擬潛望鏡的使用效果，并通過理論分析解釋為何潛望鏡中兩面鏡片需要以45°的角度傾斜擺放。如果擺放的角度不合適，就無法看到目標的景象。第三項實驗是課外拓展，使用4面鏡片進行反射，最終實現透視的效果。

（三）獨特的拓展實驗，具有創新性和趣味性

本裝置所演示的第三項實驗是教材上不存在的，此實驗的靈感來源于人們對于“透視”“隱形”等能力的向往。這個效果可以通過光的反射來實現，通過光的反射原理的理論分析可得，只要使用4面鏡子，將鏡面彼此相對，分為左右兩組，每組2面，而且使2面鏡子互相成為一個直角（此原理已在上文中敘述），就可以使光線經過反射之后，繞過一個物體，回到原來的直線上繼續向前傳播，實現透視的視覺效果。本實驗對調整參數的要求極高，但也有很高的趣味性。

六、實驗教學評價

筆者已嘗試在課堂上使用本套裝置探究光的反射原理。因為裝置上的各部分要素設計合理得當，操作簡便，學生可以迅速地掌握操作方法。同時，因為課上已經充分鋪墊入射角與反射角等核心概念，學生在儀器上進行辨別也能做到基本準確。因為這是一套自創的實驗裝置，學生對于全新的、有創意的儀器表現出了濃厚的興趣和高度的探索熱情，筆者認為這也是合理引導學生重視與發展創新精神、創新能力的重要渠道。總體而言，學生熱心參與了課堂上的探究活動并且能夠準確掌握科學原理，可以認為該裝置應用在課堂上的實踐效果是顯著的。

使用本套裝置，可以在探究光的反射原理的基礎上，添加該原理如何被應用在潛望鏡中，可以進行潛望鏡的工作原理分析；并且拓展出了第3個部分：讓光進行4次反射之后，繞過某一物體，再回到原來的直線上繼續向前傳播，形成透視的效果。依次完成3項活動之后，學生可以較為清晰而且深刻地認識到反射角等于入射角的規律，而且知道這個原理如何使用于生活與工作中，使人們獲益。總體而言，該裝置演示的實驗具有較高的創新性、科學性、直觀性、啟發性和趣味性。

參考文獻

[1]喻伯軍.小學科學教學關鍵問題知道[M].北京：高等教育出版社，2020.

[2]劉濟昌.教具理論研究導論[M].北京：教育科學出版社，2011.

[3]章榮華.運用“可見”教學，促進概念理解走向深刻：以教科版《科學》五年級上冊《光的反射》一課為例[J].教學月刊小學版（綜合），2021（9）：30-33.

[4]石玉慧.“光的反射”實驗裝置的創新與改進[J].中小學實驗與裝備，2022（2）：41-42